A hyperbolic model for volume change behavior of collapsible soils

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Abstract

Finite element computer programs are frequently used to analyze and design embankments and similar earth structures. In most of the available computer programs, lack of a proper constitutive relationship to deal with volume change when an increase in the degree of saturation occurs, namely collapse phenomena, is a major handicap. In this paper, volume change results obtained from isotropic compression tests conducted on unsaturated compacted soil specimens are presented. Dependence of the bulk modulus of the soil on water content is investigated. Next, a hyperbolic formulation for volume change behavior of unsaturated soils taking into account variation of soil water content is presented. This hyperbolic model relates mean applied stress, volume change, and water content and represents a three-dimensional surface, the so-called “state surface”. Suitability of the proposed model to predict collapse phenomena is verified by examining the model prediction against available experimental data.

Des programmes d'ordinateur en éléments finis sont fréquemment utilisés pour l'analyse et le calcul de remblais et autres structures similaires en terre. Dans la plupart des programmes d'ordinateur disponibles, le manque d'une loi de comportement adéquate pour tenir compte du changement de volume lorsqu'une augmentation du degré de saturation se produit, tel que les phénomènes d'effondrement, est un handicap majeur. Dans cet article, l'on présente des résultats de changements de volume obtenus dans des essais de compression isotrope faits sur des spécimens de sols compacté. L'on étudie l'influence de la teneur en eau sur le module de masse du sol. L'on présente ensuite une formulation hyperbolique pour le comportement en changement de volume des sols non saturés tenant compte de la variation de la teneur en eau du sol. Ce modèle hyperbolique met en relation la contrainte moyenne appliquée, le changement de volume et la teneur en eau, et il produit une surface tridimensionnelle appelée «surface d'état». Le fait que le modèle proposé prédit convenablement les phénomènes d'effondrement est vérifié par l'examen comparatif de la prédiction du modèle avec les données expérimentales disponibles.

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